【導(dǎo)讀】隨著車內(nèi)環(huán)境日益復(fù)雜，汽車廠商對部件測試的要求也越來越高。本文旨在通過介紹汽車電子部件EMI抗擾性測試的各種方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，幫助測試工程師正確選擇最佳的測試手段。
多年以來，電磁干擾(EMI)效應(yīng)一直是現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)中備受關(guān)注的一個(gè)問題。尤其在今天的汽車工業(yè)中，車輛采用了許多關(guān)鍵的和非關(guān)鍵(critical and non-critical)的車載電子模塊，例如引擎管理模塊、防抱死系統(tǒng)、電子動力轉(zhuǎn)向功能模塊(electrical power steering functions)、車內(nèi)娛樂系統(tǒng)和熱控制模塊。
同時(shí)，車輛所處的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜。車上的電子元件必須與射頻發(fā)射機(jī)共存，這些發(fā)射機(jī)有些安裝和設(shè)置得比較恰當(dāng)(例如應(yīng)急服務(wù)車輛中)，有些卻并非如此(例如一些出廠后安裝的CB發(fā)射器和車載移動電話)。此外，車輛還可能進(jìn)入一些外部發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場區(qū)域，強(qiáng)度可達(dá)幾十甚至幾百福特每米。汽車業(yè)在多年前就已意識到這些問題，所有著名廠商都已采取一定措施，通過制定測試標(biāo)準(zhǔn)和立法要求，力圖借此減少電磁干擾的影響。因此，今天的車輛對這種干擾都具備了較強(qiáng)的抵抗能力。但EMI對車載模塊的性能影響非常大，因此必須繼續(xù)對其保持警惕。
車輛及其部件的測試是一個(gè)高度專業(yè)的領(lǐng)域，一向由廠商自己完成。在有些國家，許多車輛廠商會共同資助那些專業(yè)的測試實(shí)驗(yàn)室。隨著車輛中使用的子部件日益增多，汽車廠商將部件外包的趨勢也日趨明顯，因此，EMC測試開始逐漸變成部件廠商的責(zé)任。在諸如ISO 11452 (國際標(biāo)準(zhǔn)化組織) 和 SAE J1113 (汽車工程師協(xié)會)等汽車部件抗擾性測試國際標(biāo)準(zhǔn)的子章節(jié)中，都描述了頻率存在重疊的多種不同測試方法和測試級別。在沒有任何更高的立法要求時(shí)，車輛廠商們就可以在這些通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定其測試要求。即當(dāng)某汽車廠商欲為其部件供應(yīng)商制定部件級別的測試要求時(shí)，他可以從包含多種測試方法、測試頻率范圍和測試級別的清單上選擇合適的款項(xiàng)來構(gòu)成他自己的測試標(biāo)準(zhǔn)。最終，一個(gè)為多家汽車廠商提供子部件的廠家就有可能必須根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的方法，在同一個(gè)頻率范圍內(nèi)測試同樣的部件。
為了滿足客戶的測試需求，部件廠商可以采用一系列針對ISO 11452 和SAE J1113中包含的RF測試規(guī)范而設(shè)計(jì)的汽車部件測試系統(tǒng)來幫助完成工作。這些測試系統(tǒng)通常都是自含(self-contained)系統(tǒng)，遵循所有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高級別測試規(guī)范。采用這樣的系統(tǒng)之后，部件廠商在對多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試時(shí)，用到的許多測試儀器都是相同的，因而能節(jié)省大量資金。以下我們將討論幾種RF測試方法和汽車廠商測試需求中所規(guī)定的一些測試參數(shù)，并探討部件廠商怎樣才能根據(jù)不同客戶的測試需求搭建相應(yīng)的測試系統(tǒng)，達(dá)到只測試需要項(xiàng)目的目的。
幾種RF測試方法
要想測試一個(gè)汽車部件的RF抗擾性，必須通過一種與車內(nèi)干擾出現(xiàn)方式相當(dāng)?shù)姆绞较蚱涫┘覴F干擾。這就引入了第一個(gè)變量。汽車可能會暴露在一個(gè)外場中，也可能攜帶有會產(chǎn)生干擾信號的發(fā)射機(jī)和天線，但無論如何，干擾場都可以直接作用于部件所處的位置。例如，當(dāng)該部件安裝在儀表盤上或附近的開放式區(qū)域時(shí)，它所產(chǎn)生的干擾就比當(dāng)它被安裝在車輛底盤附近甚或是在引擎箱內(nèi)這樣的屏蔽區(qū)時(shí)造成的危害要大得多。另一方面，為了供電和信號連接的需要，所有電子模塊都連到車輛的配線系統(tǒng)。
而配線裝置相當(dāng)于一個(gè)有效的天線，能夠與RF干擾耦合，不論部件安裝在什么地方，RF電流都可能通過其接插件傳導(dǎo)到部件中。鑒于此，我們通常采用的測試方法有兩組：輻射干擾測試和傳導(dǎo)干擾測試。
輻射干擾測試
所有的輻射測試法都不外向被測裝置施加一個(gè)強(qiáng)度得到校準(zhǔn)的RF場，這樣，就能將RF電流和電壓引入裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后這些RF電流和電壓又會出現(xiàn)在有源器件的敏感節(jié)點(diǎn)上，從而在電子線路中造成干擾。不同方法在施加RF場的方式上有所不同，它們各有其優(yōu)、缺點(diǎn)和局限性。
微波暗室中的輻射天線測量法
最簡單明了的產(chǎn)生RF場的方法就是向一個(gè)天線灌入能量，并將其指向被測設(shè)備(EUT)。天線能夠?qū)F能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)輻射場，并使其充滿測試區(qū)域。由于需要在很寬的頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生高電平的RF信號，為了避免與附近的其他合法無線電用戶相互干擾，測試應(yīng)該在一個(gè)屏蔽室中進(jìn)行。但這會引入墻壁的反射，從而改變室內(nèi)的場分布。為解決這一問題，需要對屏蔽室的表面進(jìn)行電波消聲處理，創(chuàng)造一個(gè)“吸波室(absorber lined chamber)”環(huán)境，而這又會極大增加測試設(shè)備的成本。測試時(shí)使用的天線在被測頻率范圍內(nèi)應(yīng)該具有較寬的頻率響應(yīng)。車輛測試中的測試頻率可能從10kHz到18GHz，因此需要的天線也有許多種不同的類型。此外，加之于EUT上的場也應(yīng)該盡可能均勻并且受到良好控制。測試時(shí)的場可能會影響暗室的規(guī)格，因此天線不能離EUT過近，方向性也不能太強(qiáng)，否則產(chǎn)生的場會只集中于EUT的某一個(gè)區(qū)域。同時(shí)，天線和EUT距離過近還會導(dǎo)致二者互感增大，從而加大天線上所加信號的控制難度。被測對象的物理尺寸越大，這一距離要求就越難滿足。另外，根據(jù)公式P = (E · r)2/30 watts(當(dāng)天線具備單元增益時(shí))，天線離EUT越遠(yuǎn)，達(dá)到某個(gè)給定場強(qiáng)時(shí)需要的功率就越大。
注意，該公式給出的是場強(qiáng)和距離的平方率關(guān)系，即當(dāng)某個(gè)給定距離上的場強(qiáng)從10 V/m增大到20 V/m時(shí)，需要的功率是原來的4倍，或者說當(dāng)場強(qiáng)從10 V/m增大到20 V/m時(shí)，在給定功率下，距離只有原來的四分之一。EUT位置處的場強(qiáng)通過一個(gè)各向同性的寬帶場傳感器來測量，各向同性是為了保證傳感器對方向不敏感，而寬帶則是為了保證它在不同頻率下均能得到正確的測量值。
TEM單元法
根據(jù)ISO 11452-3和 SAE J1113/24中的規(guī)定，TEM單元只是一段簡單的封閉傳輸線，在其一端饋入一定的RF功率，并在另一端接一個(gè)負(fù)載阻抗。隨著傳輸線中電磁波的傳播，導(dǎo)體間就建立起一個(gè)電磁場。TEM(即橫電磁波)描述的是在這類單元的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的占主導(dǎo)地位的電磁場。當(dāng)傳輸線長度給定時(shí)，在一定的截面積上，場強(qiáng)均勻，且易測量或計(jì)算。EUT就放置在TEM單元的作用區(qū)域內(nèi)。TEM單元一般呈箱體形式，內(nèi)帶一個(gè)隔離面，箱體的墻面作為傳輸線的一端，隔離面(或稱隔膜，septum)作為另一端。TEM單元的幾何構(gòu)造對傳輸線的特性阻抗有決定性的影響。箱體是封閉的，除了很小的泄漏以外，單元外沒有電磁場，因此這種單元可以不加外屏蔽地應(yīng)用于任何環(huán)境。其主要缺點(diǎn)是其存在頻率上限，這一上限頻率與其物理尺寸稱反比。當(dāng)頻率高于此上限時(shí)，其內(nèi)部電磁場的結(jié)構(gòu)中開始出現(xiàn)高次模，場的均勻性，尤其是在由TEM單元的確切尺寸決定的諧振頻率處的場均勻性，也開始變差。TEM單元能夠測量的最大EUT尺寸受其內(nèi)部可用的場強(qiáng)均勻區(qū)域體積的限制，因此最大EUT尺寸和該單元可測的最高頻率之間有著直接關(guān)系。TEM單元的最低測量頻率可到DC，這也是它與輻射天線測量法的不同之處。
帶狀線法和三平面法
這兩種方法與TEM單元法有本質(zhì)的區(qū)別。TEM單元法屬于封閉型測量方法，而帶狀線法和三平面法所采用的測試裝置則是開放式傳輸線。也就是說，在采用這兩種方法時(shí)，最大場雖然位于平面之間，但仍有能量輻射到測試裝置外部，因此測試必須在一間屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。ISO 11452-5 和 SAE J1113/23中均對帶狀線測試有所描述，而三平面測試只在 SAE J1113/25中提到。
在帶狀線測試中，被測部件模塊只對連接它與相關(guān)設(shè)備的電纜裝置暴露，并不暴露在平面間的最大場強(qiáng)處。帶狀線平面作為傳輸線的源導(dǎo)體，其下放置1.5米的電纜裝置，測試的參考地平面則作為另一端導(dǎo)體。帶狀線產(chǎn)生的場會在電纜裝置中感應(yīng)出經(jīng)向電流，然后耦合入EUT。因此，帶狀線測試幾乎算是輻射場測試和傳導(dǎo)測試這兩種方法的混合。
三平面測試裝置中，一個(gè)有源內(nèi)導(dǎo)體被兩個(gè)外平面夾在中間，產(chǎn)生的阻抗可通過計(jì)算得到。被測模塊放置于中心導(dǎo)體和一個(gè)外平面之間，中心導(dǎo)體的另一面置空。由于整個(gè)測試裝置的結(jié)構(gòu)是對稱的，因此可在置空的這一面與EUT呈鏡像位置的地方放置一個(gè)場強(qiáng)探頭。和TEM單元測試一樣，帶狀線測試和三平面測試裝置均有一個(gè)受其尺寸限制的頻率上限。在等于或高于由該理尺寸決定的諧振頻率時(shí)，就會產(chǎn)生不受控制的電磁場高次模。這三種方法相對于輻射天線法的優(yōu)勢就在于，采用這三種方法時(shí)，只需要不多的功率就能夠產(chǎn)生比輻射天線法大得多的場強(qiáng)，因?yàn)閳鰪?qiáng)等于導(dǎo)體平面之間的電壓除以它們之間的距離。
傳導(dǎo)干擾測試
第二類測試方法叫做傳導(dǎo)干擾測試，它不需在被測模塊放置之處施加電磁場，而是直接將RF干擾施加在電纜裝置或接入被測部件模塊的裝置中。這樣一來，隨著RF電流在電路結(jié)構(gòu)(例如一塊印制電路板PCB)中傳輸，部件模塊與外部裝置的連接處就會產(chǎn)生一個(gè)電流，從而在電子線路中造成干擾。這種方法與輻射場測試法雖然結(jié)果類似，但二者之間沒有任何等同之處，因此這兩種方法都常用于進(jìn)行完整測試，有時(shí)兩種測試的頻率范圍還有重疊。傳導(dǎo)干擾測試最常采用的兩種耦合方法有電流注入法(bulk current injection，BCI)和直接注入法，前者需要向EUT中注入干擾電流，并控制注入電流的大小，后者則注入功率并控制注入功率的大小。
電流注入法(BCI)
BCI法在ISO 11452-4和SAE J1113/4中均有描述，采用該方法時(shí)，將一個(gè)電流注入探頭放在連接被測件的電纜裝置之上，然后向該探頭注入RF干擾。此時(shí)，探頭作為第一電流變換器，而電纜裝置作為第二電流變換器，因此，RF電流先在電纜裝置中以共模方式流過(即電流在裝置的所有導(dǎo)體上以同樣的方式流通)，然后再進(jìn)入EUT的連接端口。
真正流過的電流由電流注入處裝置的共模阻抗決定，而在低頻下這幾乎完全由EUT和電纜裝置另一端所連接的相關(guān)設(shè)備對地的阻抗決定。一旦電纜長度達(dá)到四分之一波長，阻抗的變化就變得十分重要，它可能降低測試的可重復(fù)性。此外，由于電流注入探頭會帶來損耗，因而需要較大的驅(qū)動能力才能在EUT上建立起合理的干擾水平。盡管如此，BCI法還是有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，那就是其非侵入性，因?yàn)樘筋^可以簡單地夾在任何直徑不超過其最大可接受直徑的電纜上，而不需進(jìn)行任何直接的電纜導(dǎo)體連接，也不會影響電纜所連接的工作電路。
直接注入法
BCI法對驅(qū)動能力要求過高，而且在測試過程中與相關(guān)設(shè)備的隔離也不好，直接注入法的目的就是克服BCI法的這兩個(gè)缺點(diǎn)。具體做法是將測試設(shè)備直接連接到EUT電纜上，通過一個(gè)寬帶人工網(wǎng)絡(luò)(Broadband Artificial Network，BAN)將RF功率注入EUT電纜，而不干擾EUT與其傳感器和負(fù)載的接口(見圖3)，該BAN在測試頻率范圍內(nèi)對EUT呈現(xiàn)的RF阻抗可以控制。BAN在流向輔助設(shè)備的方向至少能夠提供500W的阻塞阻抗。干擾信號通過一個(gè)隔直電容，直接耦合到被測線上。ISO 11452-7和SAE J1113/3中描述了該方法。
汽車部件EMI測試的測試參數(shù)
在車輛部件的EMI測試中，根據(jù)不同車輛廠商所提出的不同要求，除了引入干擾信號的基本方法有所不同以外，還有許多參數(shù)也會有所不同。但不論RF干擾怎樣產(chǎn)生，這些參數(shù)都是相關(guān)的。
頻率范圍
受測試方法本身及其所用換能器(transducer)的限制，上述的每一種方法都只適用于一個(gè)既定的頻率范圍。列出了本文中討論的各種方法在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中公布的適用頻率范圍。測試過程中，通常需要使測試信號在整個(gè)頻率范圍內(nèi)掃描變化或步進(jìn)變化，監(jiān)測此時(shí)EUT與其應(yīng)有功能和性能的差異來得到測試結(jié)果。每次測試的最小滯留時(shí)間一般為2秒，如果EUT的時(shí)間常數(shù)較大，滯留時(shí)間可能更長。如果采用軟件控制的測試信號發(fā)生器，那么測試信號通常不是掃描過整個(gè)頻率范圍，而是采用步進(jìn)方式，因此還要定義頻率步進(jìn)的步長。滯留時(shí)間和頻率步長二者共同決定了執(zhí)行單次掃描所需花費(fèi)的時(shí)間，從而也決定了整個(gè)測試所需的時(shí)間。
幅度控制
不論采用哪種測試方法，對施加在EUT上的測試信號幅度都必須小心控制。幅度控制的方法按照原理不同通?？煞譃閮深?，一類叫閉環(huán)控制法，一類叫開環(huán)控制法。在帶狀線測試和TEM單元測試時(shí)，可以通過已知的凈輸入功率和傳輸線的參數(shù)來計(jì)算得到的場。但除了這兩種方法以外，都需要利用閉環(huán)法來實(shí)現(xiàn)幅度控制。在輻射干擾測試中，干擾信號的單位采用伏特/米(volts/meter)，在電流注入測試中，單位采用微安(milliamps)，在直接功率注入測試中，單位采用瓦特(watts)。
閉環(huán)法
采用閉環(huán)控制法時(shí)，一個(gè)場強(qiáng)儀或電流監(jiān)控探頭一直監(jiān)測著施加在EUT上的激勵(lì)，據(jù)此將功率調(diào)整到目標(biāo)值。該方法存在一個(gè)問題，那就是EUT的介入打亂了我們用作干擾激勵(lì)的電磁場，因此找不到一個(gè)能夠正確反映出我們得到的場強(qiáng)，并對所有類型EUT普遍適用的位置來放置場強(qiáng)儀，在微波暗室中進(jìn)行輻射干擾測試時(shí)這一問題尤其明顯。當(dāng)測試頻率使得EUT尺寸與波長可以相比擬時(shí)，在某些位置上場的分布可能會出現(xiàn)大幅下降。如果場強(qiáng)儀剛好放置在一個(gè)這樣的位置上，那么當(dāng)我們根據(jù)場強(qiáng)儀的讀數(shù)來維持需要的電磁場強(qiáng)度時(shí)，勢必會在EUT附近的位置上造成嚴(yán)重的過測(over-testing)。BCI測試中也存在類似問題，當(dāng)EUT的共模輸入阻抗與測試信號諧振時(shí)，要維持需要的電流就會造成過測(over-testing)。實(shí)際上，在這樣的環(huán)境下，許多時(shí)候放大器都無法提供維持規(guī)定電平所需的功率，而一旦放大器過載，還會造成更多的測試問題。
開環(huán)法
采用開環(huán)法就能回避上述問題。開環(huán)法有時(shí)也叫做置換法。采用開環(huán)法時(shí)，首先將一個(gè)既定強(qiáng)度的信號送入測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置。在每個(gè)頻率上，放大器的輸出功率均受一個(gè)輔助功率計(jì)的監(jiān)控，當(dāng)放大器輸出電平達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，對其進(jìn)行記錄。最后，在真實(shí)測試時(shí)，再將這個(gè)預(yù)校準(zhǔn)的功率記錄進(jìn)行嚴(yán)格的重放?？偟膩碚f，由于對施加在EUT上的場或電流(volts per meter 或 milliamps)的測量并不在測試的要求內(nèi)，因此開環(huán)法并不測量它們，只是對其進(jìn)行監(jiān)控，以確認(rèn)系統(tǒng)工作正常。但由于上節(jié)談到的原因，我們也不可能看到真正正確的測量值。在輻射干擾測試中，校準(zhǔn)設(shè)置過程要求在EUT于微波暗室中應(yīng)占據(jù)的準(zhǔn)確位置上放置一臺場強(qiáng)儀。而在傳導(dǎo)干擾測試中，校準(zhǔn)設(shè)備是一個(gè)阻抗值給定的負(fù)載，我們在其兩端測量功率或電流。開環(huán)法所用到的功率參數(shù)包括凈功率，或者輸入換能器的前向功率和換能器反射回來的反向功率之差。在假設(shè)沒有其他重大損耗時(shí)，這個(gè)差值就等于真正送入EUT的功率。因此，在采用直接耦合器時(shí)，必須在每個(gè)頻率上測量兩個(gè)功率。這時(shí)，可以利用一臺功率計(jì)對耦合器的前向輸出和反向輸出分別順序測量，也可以利用兩臺功率計(jì)同時(shí)測量。凈功率用于說明換能器的電壓駐波比(VSWR)，因?yàn)楫?dāng)引入EUT時(shí)VSWR會發(fā)生變化。但當(dāng)EUT與測試裝置嚴(yán)格匹配時(shí)，要保持凈功率所需的前向功率相對于校準(zhǔn)所需的功率可能有較大變化。為避免過測，為保持所需凈功率而增大的前向功率不能超過2dB，即使2dB還不能滿足要求，也不應(yīng)繼續(xù)增大，而只能將此記錄在測試報(bào)告中。
調(diào)制頻率和調(diào)制深度
所有的RF抗擾性測試都需要在每個(gè)頻率上對EUT施加CW(未調(diào)連續(xù)波)和已調(diào)AM信號，而EUT的響應(yīng)通常更易受已調(diào)干擾影響。一般情況下，測試標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的調(diào)制信號都是調(diào)制深度為80%，頻率為1kHz的正弦波。但也有個(gè)別的車輛廠商可能會有不同的要求。定義調(diào)制參數(shù)的目的是為AM和CW測試規(guī)定一個(gè)恒定的峰值電平。這一點(diǎn)與商用(IEC 61000-4 系列)RF抗擾性測試不同。在商用RF抗擾性測試中，調(diào)制信號的峰值功率比未調(diào)信號高5.3 dB。而在峰值電平恒定的測試中調(diào)制深度為80%的已調(diào)信號功率只有未調(diào)信號功率的0.407倍。ISO 11452中清楚地定義了這種信號的施加過程：
●在每個(gè)頻點(diǎn)上，線性或?qū)?shù)增大信號強(qiáng)度直到信號強(qiáng)度滿足要求(對開環(huán)法指凈功率滿足要求，對閉環(huán)法則指測試信號的電平嚴(yán)格滿足要求)，根據(jù) 2 dB準(zhǔn)則監(jiān)測前向功率。
●按要求施加已調(diào)信號，并使測試信號保持時(shí)間等于EUT最小響應(yīng)時(shí)間。
●緩慢降低測試信號強(qiáng)度，然后進(jìn)行下一個(gè)頻率的測試。
監(jiān)測EUT
在施加測試信號時(shí)，必須監(jiān)測EUT的響應(yīng)，并與其應(yīng)達(dá)到的性能準(zhǔn)則進(jìn)行比較，以確定被測件是否通過測試。由于不同EUT的功能和需要滿足的性能準(zhǔn)則均不相同，因此本文不可能對這些監(jiān)控方法進(jìn)行概括。但如果測試軟件能夠自動完成部分或全部監(jiān)測工作，那么整個(gè)測試就會更加簡單可靠。監(jiān)測過程可能只需簡單地測量和記錄每個(gè)頻率點(diǎn)上的輸出電壓，也可能涉及一些特殊的EUT軟件，這些軟件能夠在測試發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)給出標(biāo)記。
報(bào)告測試結(jié)果
在測試完成，EUT的響應(yīng)也觀測完畢之后，測試工程師的工作還只完成了一半。接著他或她還必須按照車輛廠商所規(guī)定的格式創(chuàng)建測試報(bào)告。一個(gè)部件廠商可能為多個(gè)車輛廠商提供產(chǎn)品，因此對同一組測試，部件廠商可能需要提交多種格式的測試報(bào)告。有些軟件包中包含可選的報(bào)告生成模塊，能夠提供針對不同的車輛廠商定制的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告模板。雖然測試工程師們大都很享受測試過程，卻很少有人喜歡撰寫測試報(bào)告，因此所有測試實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)理都十分明白，為客戶提供測試報(bào)告是一項(xiàng)最困難的任務(wù)。有了自動報(bào)告生成軟件模塊，不但測試工程師們不必再承擔(dān)撰寫測試報(bào)告的苦差，客戶的要求也能更快得到滿足。綜上所述，雖然汽車工業(yè)中的部件EMC測試中包含許多可變參數(shù)，我們?nèi)匀豢梢愿咝У赝瓿舍槍Σ煌囕v廠商的覆蓋很寬頻率范圍的測試。本文介紹了汽車工業(yè)中部件測試所采用的多種方法，并概括了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過閱讀本文，測試工程師可以更好的選擇測試方法，以滿足客戶的需求。
